KR20100007884A - 터널 자기 저항 박막 및 자성 다층막 제작 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 높은 MR비(比)와 낮은 자왜(磁歪)를 겸비한 터널 자기 저항 박막을 제공한다. 자화 고정층, 터널 배리어층, 자화 자유층을 갖는 터널 자기 저항 박막으로서, 상기 터널 배리어층은 (001) 배향한 산화 마그네슘 결정립(結晶粒)을 갖는 산화 마그네슘막이며, 상기 자화 자유층은 Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 체심 입방 구조 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 체심 입방 구조의 (001) 배향한 합금으로 이루어진 제 1 자화 자유층과, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 면심 입방 구조의 합금으로 이루어진 제 2 자화 자유층의 적층 구조인 터널 자기 저항 박막으로 한다.
터널 자기 저항 박막, 자화 고정층, 터널 배리어층, 자화 자유층, 자성 다층막
Description
본 발명은, 자기 디스크 구동 장치의 자기 재생 헤드, 자기 랜덤 액세스 메모리의 기억 소자 및 자기 센서에 사용할 수 있는 터널 자기 저항 박막 및 자성 다층막 제작 장치에 관한 것이다.
비정질 CoFeB를 강자성 전극으로 하고 NaCl 구조의 MgO를 터널 배리어(tunnel barrier)층으로 한 터널 자기 저항 박막은 실온에서 200% 이상의 거대한 MR비(比)(자기 저항 변화율)를 나타낸다. 그 때문에, 자기 디스크 구동 장치의 자기 재생 헤드나 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)의 기억 소자, 자기 센서에의 응용이 기대되어 있다. 종래의 비정질 CoFeB를 강자성 전극으로 하고 MgO를 터널 배리어층으로 한 터널 자기 저항 박막은, 자화 자유층이 정(正)의 큰 자왜(磁歪)를 가진 CoFeB 단층이었기 때문에, 디바이스 동작을 시켰을 때에 노이즈의 원인이 되어 있었다.
그런데, 거대 자기 저항 효과를 이용한 현 세대의 자기 저항 박막에서는, 높은 MR비를 얻기 위해서 제 1 자화 자유층으로서 CoFe 합금을 사용하고 있다. 그렇지만, 그것도 또한 정의 자왜가 크기 때문에 제 2 자화 자유층으로서 부(負)의 자 왜를 가진 NiFe를 적층하고, 자화 자유층 전체로서 자왜를 실용가능한 레벨까지 작게 하고 있었다.
동일한 효과를 기대하여, 종래의 비정질 CoFeB를 강자성 전극으로 하고 MgO를 터널 배리어층으로 한 터널 자기 저항 박막에서의 CoFeB 자화 자유층의 위에 NiFe를 적층하면 MR비가 극단적으로 저하한다는 문제가 있었다. 그 원인으로서는 후(後)공정의 고온 어닐링 처리에서 비정질의 CoFeB가 결정화할 때, NiFe층 측으로부터 결정화하는 것을 생각할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 예를 들면, 특허문헌1에는, CoFeB 자화 자유층에 Ni를 첨가해서 단층 상태인채로 자왜를 낮추는 기술이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌2에는, 제 1 자화 자유층과 제 2 자화 자유층의 사이에 비자성의 확산 방지층을 삽입한 구성이 개시되어 있다.
특허문헌1 : 일본국 특개2007-95750호 공보
특허문헌2 : 일본국 특개2006-319259호 공보
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
본 발명의 과제는, 높은 MR비와 낮은 자왜를 겸비한 터널 자기 저항 박막 및 자성 다층막 제작 장치를 제공하는 데 있다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명의 제 1의 터널 자기 저항 박막은,
자화 고정층, 터널 배리어층, 자화 자유층을 갖는 터널 자기 저항 박막으로서,
상기 터널 배리어층은, (001) 배향한 산화 마그네슘 결정립(結晶粒)을 갖는 산화 마그네슘막이고,
상기 자화 자유층은, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 체심 입방 구조 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 체심 입방 구조의 (001) 배향한 합금으로 이루어진 제 1 자화 자유층과, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 면심 입방 구조의 합금으로 이루어진 제 2 자화 자유층의 적층 구조인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태에 있어서, 상기 제 1 자화 자유층은, (Co100-x-yNixFey)100-zBz(x, y, z는 원자%(atomic%))로 나타내지는 조성이 x+y<100, 0≤x≤30, 10≤y<100, 0<z≤6이다.
본 발명의 바람직한 형태에 있어서, 상기 자화 고정층의 보자력(Hcp)과, 상기 자화 자유층의 보자력(Hcf)은, Hcp>Hcf의 관계를 충족하고 있다.
본 발명의 바람직한 형태에 있어서, 상기 자화 고정층에 인접해서 반(反)강자성층을 더 갖고, 상기 자화 고정층의 자화는, 상기 반강자성층과의 교환 결합에 의해 1축 방향으로 고정되며, 또한 자화 고정층과 반강자성층 사이의 교환 결합 자계(Hex)와, 자화 자유층의 보자력(Hcf)은, Hex<Hcf의 관계를 충족하고 있다.
본 발명의 바람직한 형태에 있어서, 상기 자화 고정층은, 제 1 자화 고정층 및 제 2 자화 고정층을 갖고, 상기 제 1 자화 고정층과 제 2 자화 고정층의 사이에 교환 결합용 비자성층을 더 갖고, 상기 자화 고정층의 자화는, 반강자성층과의 교환 결합에 의해 1축 방향으로 고정되고, 상기 제 1 자화 고정층과 제 2 자화 고정층은, 반강자성 결합하고 있는 적층 페리 고정층이며, 제 1 자화 고정층과 제 2 자화 고정층 사이의 반강자성 결합 자계(Hex*)와 자화 자유층의 보자력(Hcf)이, Hex*>Hcf의 관계를 충족하고 있다.
본 발명의 제 2의 터널 자기 저항 박막은,
자화 자유층, 터널 배리어층 및 자화 고정층을 갖는 터널 자기 저항 박막으로서,
상기 터널 배리어층은, (001) 배향한 산화 마그네슘 결정립을 갖는 산화 마그네슘막이고,
상기 자화 자유층은, 체심 입방 구조를 갖고, (001) 배향하며, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금층 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태에 있어서, 상기 자화 자유층은, (Co100-x-yNixFey)100-zBz(x, y, z는 원자%)로 나타내지는 조성이 x+y<100, 0≤x≤30, 10≤y<100, 0<z≤6이다.
본 발명의 제 3의 터널 자기 저항 박막은,
자화 고정층, 터널 배리어층, 자화 자유층이 이 순서대로 적층된 적층체를 갖는 터널 자기 저항 박막으로서,
상기 터널 배리어층은, (001) 배향한 산화 마그네슘 결정립을 갖는 산화 마그네슘막이고,
상기 자화 자유층은, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 체심 입방 구조 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 체심 입방 구조의 (001) 배향한 합금으로 이루어진 제 1 자화 자유층과, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 면심 입방 구조의 합금으로 이루어진 제 2 자화 자유층의 적층 구조인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1의 자성 다층막 제작 장치는,
기판 반송 장치를 구비한 반송 챔버,
상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, 산화 마그네슘 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, (001) 배향한 산화 마그네슘 결정립을 갖는 산화 마그네슘층을 성막하도록 한 제 1 성막 챔버,
상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 자성체 타겟 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 자성체 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금이며, 체심 입방 구조의 (001) 배향한 결정성 제 1 자화 자유층을 성막하고, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 자성체 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 합금이며 면심 입방 구조의 FeNi 합금으로 이루어진 제 2 자화 자유층을 성막하도록 한 제 2 성막 챔버,
및,
기판 위에, 상기 산화 마그네슘층에 인접해서 상기 제 1 자화 자유층을 적층 하고, 상기 제 1 자화 자유층에 인접해서 상기 제 2 자화 자유층을 적층하도록 한 진공 반송 기구,
를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2의 자성 다층막 제작 장치는,
기판 반송 장치를 구비한 반송 챔버,
상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, 산화 마그네슘 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, (001) 배향한 산화 마그네슘 결정립을 갖는 산화 마그네슘층을 성막하도록 한 제 1 성막 챔버,
상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자 중 적어도 2종 성분을 함유한 제 1 자성체 타겟, 및 상기 4종 성분 중 상기 제 1 자성체 타겟으로 사용하지 않는 성분을 적어도 함유하는 제 2 자성체 타겟을 사용한 2원(元) 동시 스퍼터링법에 의해, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금이며, 체심 입방 구조의 (001) 배향한 결정성 제 1 자화 자유층을 성막하고, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 자성체 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 합금이며 면심 입방 구조의 FeNi 합금으로 이루어진 제 2 자화 자유층을 성막하도록 한 제 2 성막 챔버,
및,
기판 위에, 상기 산화 마그네슘층에 인접해서 상기 제 1 자화 자유층을 적층 하고, 상기 제 1 자화 자유층에 인접해서 상기 제 2 자화 자유층을 적층하도록 한 진공 반송 기구,
를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 3의 자성 다층막 제작 장치는,
기판 반송 장치를 구비한 반송 챔버,
상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, 마그네슘 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, 금속의 마그네슘층을 성막하도록 한 제 1 성막 챔버,
상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, 상기 마그네슘층을 (001) 배향한 산화 마그네슘 결정립을 갖는 산화 마그네슘층으로 형성하는 산화 처리 챔버,
상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자 중 적어도 2종 성분을 함유한 제 1 자성체 타겟, 및 상기 4종 성분 중 상기 제 1 자성체 타겟으로 사용하지 않는 성분을 적어도 함유하는 제 2 자성체 타겟을 사용한 2원 동시 스퍼터링법에 의해, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금이며, 체심 입방 구조의 (001) 배향한 결정성 제 1 자화 자유층을 성막하고, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 자성체 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 합금이며 면심 입방 구조의 FeNi 합금으로 이루어진 제 2 자화 자유층을 성막하도록 한 제 2 성막 챔버,
및,
기판 위에, 상기 산화 마그네슘층에 인접해서 상기 제 1 자화 자유층을 적층 하고, 상기 제 1 자화 자유층에 인접해서 상기 제 2 자화 자유층을 적층하도록 한 진공 반송 기구,
를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 4의 자성 다층막 제작 장치는,
기판 반송 장치를 구비한 반송 챔버,
상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, 마그네슘 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, 금속의 마그네슘층을 성막하도록 한 제 1 성막 챔버,
상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, 상기 마그네슘층을 (001) 배향한 산화 마그네슘 결정립을 갖는 산화 마그네슘층으로 형성하는 산화 처리 챔버,
상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 자성체 타겟 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 자성체 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금이며, 체심 입방 구조의 (001) 배향한 결정성 제 1 자화 자유층을 성막하고, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 자성체 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 합금이며 면심 입방 구조의 FeNi 합금으로 이루어진 제 2 자화 자유층을 성막하도록 한 제 2 성막 챔버,
및,
기판 위에, 상기 산화 마그네슘층에 인접해서 상기 제 1 자화 자유층을 적층 하고, 상기 제 1 자화 자유층에 인접해서 상기 제 2 자화 자유층을 적층하도록 한 진공 반송 기구,
를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 「결정 배향」의 정의로서, 본원 명세서에 기재하는 「체심 입방 구조」 및 「면심 입방 구조」에서는, 하기의 6개의 결정면(結晶面)은 등가이다.
[화학식 1]
결정면
본원 명세서 중에서는, 막면에 수직한 방향을 결정축의 c축으로 정의하고, 상기 의 6개의 결정면 배향를 모두 (001) 배향으로 표현한다.
또한, MgO 터널 배리어층이 (001) 배향하고 있는 것의 증명으로서, CuK α선을 사용한 X선 회절(θ-2θ법)에 있어서, 2θ=43° 부근에만 (200) 회절 피크가 나타나면 (001) 배향인 것을 간접적으로 알 수 있다. 또한, 보다 직접적인 확인 방법으로서는, 투과형 전자현미경에 의해 단면상(斷面像)을 관찰하고, 그 격자 간격으로부터 (001) 배향를 확인할 수 있다. 그 때, MgO층에 전자선을 조사하고, 그 회절 패턴을 해석함으로써, 보다 명확하게 (001) 배향를 확인할 수 있다.
마찬가지로, 「체심 입방 구조」의 제 1 자화 자유층의 (001) 배향도 CuK α선을 사용한 X선 회절에 의해 간접적으로 알 수 있고, (001) 배향의 경우는 2θ=65.5° 부근에만 회절 피크가 나타난다.
제 2 자화 자유층이 Ni와 Fe를 주로 한 「면심 입방 구조」일 경우에는, CuK α선을 사용한 X선 회절에 의해 간접적으로 알 수 있고, 2θ=44.5°, 51.9°, 76.5°, 93.1° 부근에 회절 피크가 나타난다. 결정의 배향성에 의해, 상기의 모든 피크가 동시에 나타날 경우도 있으면, 어느 하나의 피크밖에 나타나지 않을 경우도 있다. 면심 입방 구조인 것을 보다 명확하게 알기 위해서는 예를 들면 투과형 전자현미경에 의해 시료 단면에 전자선을 조사하고, 그 회절 패턴을 해석함으로써, 면심 입방 구조를 확인할 수 있다.
발명의 효과
본 발명의 터널 자기 저항 박막에 있어서는, 높은 MR비를 얻기 위해서 정의 자왜를 가진 CoNiFeB 자화 자유층을 사용했음에도 불구하고, 자왜를 낮추기 위해서 부의 자왜를 가진 NiFe 합금을 적층해도 MR비가 저하하지 않는다. 따라서, 높은 MR비와 낮은 자왜를 겸비한 터널 자기 저항 박막이 제공되고, 자기 디스크 구동 장치의 자기 재생 헤드나 MRAM의 기억 소자, 자기 센서에 적용해서 양호한 특성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 터널 자기 저항 박막은, MR비의 열(熱)에 대한 안정성을 대폭 개선할 수 있다.
본 발명의 장치는, 높은 생산성을 가지고, 고(高)MR비의 열에 대한 안정성이 우수한 터널 자기 저항 박막을 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 터널 자기 저항 박막의 실시형태의 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 터널 자기 저항 박막을 제조하기 위한 스퍼터링 장치의 구성을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 3은 MRAM의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 MRAM의 1메모리 셀의 단면 모식도이다.
도 5는 도 3의 MRAM의 1메모리 셀의 등가 회로도이다.
도 6은 본 발명의 실시예1과 비교예의 터널 자기 저항 박막의 MR비의 어닐링 온도 의존성을 나타내는 도면이다.
도면의 주요 부호에 대한 부호의 설명
1 기판
2 완충층
3 반강자성층
4 자화 고정층
4a 제 1 자화 고정층
4b 제 2 자화 고정층
5 교환 결합용 비자성층
6 터널 배리어층
7 자화 자유층
7a 제 1 자화 자유층
7b 제 2 자화 자유층
7c 제 3 자화 자유층
8 보호층
9 교환 결합용 비자성층
20 진공 반송실
21,22,23 스퍼터링실
21a Ta 타겟
21b PtMn 타겟
21c Co70Fe30 타겟
21d Ru 타겟
21e Co60Fe20B20 타겟
22a MgO 타겟
22b Mg 타겟
22c 미장착 타겟
22d 미장착 타겟
22e 미장착 타겟
23a Ta 타겟
23b Co70Fe30 타겟
23c Ru 타겟
23d Co56Fe24B20 타겟
23e Ni83Fe17 타겟
25 기판 전처리실
26 산화 처리실
27 로드록실
28 반송 로보트
42 재기입용 워드선
43 비트선
44 판독용 워드선
45 TMR 소자
46 트랜지스터
본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 사용해서 설명한다.
도 1의 (a)는 본 발명의 터널 자기 저항 박막의 바람직한 실시형태의 단면 모식도이다.
본 발명의 터널 자기 저항 박막은, 터널 배리어층을 자화 고정층과 자화 자 유층 사이에 삽입해서 이루어지는 적층체를 갖는다. 본 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 적층체에서 자화 고정층에 인접해서 반강자성층을 배치하고, 자화 고정층의 자화가 상기 반강자성층과의 교환 결합에 의해 1축 방향으로 고정되어 있는 스핀 밸브형 터널 자기 저항 박막으로 하는 것이 바람직하다. 도 1의 (a)는 이 반강자성층을 구비하고, 상기 반강자성층을 완충층을 기판측에 배치해서 적층한 바텀(bottom)형의 스핀 밸브형 터널 자기 저항 박막의 구성예이다.
도면 중, 1은 기판, 2는 완충층, 3은 반강자성층, 4는 자화 고정층, 5는 교환 결합용 비자성층, 6은 터널 배리어층, 7은 자화 자유층, 8은 보호층이다.
본 발명의 구성상의 특징은, 터널 배리어층(6)에 접하는 제 1 자화 자유층(7a)이, CoNiFeB 합금으로 이루어지고, 그 조성이 바람직하게는 특정한 범위 내에 있다. 즉, (Co100-x-yNixFey)100-zBz(x, y, z는 원자%)로 나타내지는 조성이, x+y<100, 0≤x≤30, 10≤y<100, 0<z≤6이다. 또한, 본 발명에 따른 터널 배리어층(6)에 접하는 제 1 자화 자유층(7a)에서는, x=0, 즉 Ni가 포함되지 않는 CoFeB도 포함되지만, 편의상, 터널 배리어층(6)에 인접하는 자화 자유층(7a)의 경우에 한하여, x=0의 경우도 포함시켜서 CoNiFeB라고 표기한다.
본 발명은, CoNiFeB 합금 중에, 미량(1원자% 이하, 바람직하게는 0.05원자% 이하)의 첨가 성분으로서, 다른 금속, 예를 들면, Al, Zr, Ti, Hf나 P 등의 외에, C나 Si 등을 더 함유시킬 수 있다.
본 발명의 산화 마그네슘층은, 미량(1원자% 이하, 바람직하게는 0.05원자% 이하)의 첨가 성분, 예를 들면, Ti, Al, Zr, Ru, Ta, P 등의 금속이나 N, Cl, Ar, Si, C 등을 함유할 수 있다.
또한, (001) 배향한 MgO 결정립을 포함한 MgO막 위에 CoNiFeB막을 적층하면, 그 CoNiFeB막은 (001) 배향한 체심 입방 구조를 갖고, 관련되는 구성을 갖는 자기 저항 박막은 본 발명의 효과가 높다. 따라서, 하기에 나타낸 바와 같이, 터널 배리어층(6)으로서, (001) 배향한 MgO 결정립을 포함한 MgO막을 사용하고, 그 위에 제 1 자화 자유층(7a)으로서 CoNiFeB막을 적층한 구성이 본 발명에는 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 자화 자유층(7)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 서로 자성 재료가 다른 2층 이상의 적층막으로 이루어지는 구성이 바람직하게 적용된다. 도 1의 (a)는 자화 자유층(7)을 7a, 7b의 2층 구성으로 한 예이며, 도 1의 (b)는 7a, 7b, 7c의 3층 구성으로 한 예이다. 또한, 도 1의 (b)의 9는 교환 결합용 비자성층이다. 이렇게, 자화 자유층(7)을 복수층 구성으로 했을 경우, 터널 배리어층(6)에 접하는 제 1 자화 자유층(7a)은 상기한 바와 같이, 특정한 조성의 CoNiFeB로 이루어진다. 또한, 제 1 자화 자유층(7a) 이외의 자화 자유층(7b, 7c)의 적어도 1층은, Ni를 50원자% 이상 함유하는 면심 입방 구조의 NiFe 합금(NiFe)으로 이루어지는 것이 바람직하다. 그 NiFe는, 바람직하게는 자왜가 부로 되도록 Ni 함유량을 82원자% 이상으로 설정한다. 도 1의 (b)의 구성에서는, 제 2 자화 자유층(7b)을 Ni를 50원자% 이상 포함하는 면심 입방 구조의 NiFe로 구성하고, 제 3 자화 자유층(7c)으로서는 CoFe 합금(CoFe)이나 CoNiFe 합금(CoNiFe)이어도 된다. 교환 결합 용 비자성층(9)으로서는, Ru가 바람직하게 사용될 수 있다.
도 1의 (a)에서의 제 1 자화 자유층(7a)과 제 2 자화 자유층(7b)의 막 두께는, 보다 높은 MR비를 얻을 수 있고, 자왜를 0에 가깝게 각각 설정한다. 제 1 자화 자유층(7a)은 1 내지 3㎚, 제 2 자화 자유층(7b)은 1 내지 5㎚가 바람직하다.
본 발명이 있어서, 서로 다른 자성 재료로 이루어진 것은, 자성 재료의 구성 원소가 다른, 구성 원소의 조합이 다른, 구성 원소의 조합이 같고 조성비가 다른 경우 모두가 포함된다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기한 CoNiFe, NiFe, CoFe 등의 합금은, 각각에 열거한 원소만으로 100원자%가 되는 경우는 물론, 본 발명의 효과에 영향을 주지 않는 범위에서 미량의 타 원소를 포함하는 경우도 포함하는 것으로 한다. 예를 들면, Ni와 Fe 이외에 미량의 타 원소를 포함할 경우에도, Ni와 Fe만으로 100원자%가 되는 경우와 본 발명의 효과에 있어서 동일한 레벨일 경우에는, NiFe에 포함되는 것으로 한다.
본 발명에 있어서, 터널 배리어층(6)으로서는, (001) 배향한 MgO 결정립을 포함한 MgO막을 사용할 수 있다. 관련되는 MgO막의 배향성은, X선 회절에 의해 확인할 수 있다. 즉, X선 회절(θ-2θ법)에서, 2θ=43° 부근에 (200) 회절 피크가 나타나면 (001) 배향인 것을 간접적으로 알 수 있다. 또한, 보다 직접적인 확인 방법으로서는, 투과형 전자현미경에 의해 단면상을 관찰하고, 그 격자 간격으로부터 (001) 배향를 확인할 수 있다. 그 때, MgO층에 전자선을 조사하고, 그 회절 패턴을 해석함으로써, 보다 명확하게 (001) 배향을 확인할 수 있다.
터널 배리어층(6)으로서는, Mg/MgO의 2층막도 사용할 수 있다. 관련되는 Mg/MgO막은 츠네카와 등이 어플라이드 피직스 레터(Appl.Phys.Lett.), 87, 072503(2005)에 보고하고 있다. MgO 막 및 Mg/MgO의 2층막의 막 두께는 터널 자기 저항 박막의 터널 접합 저항값(RA)에 따라서 바뀌지만, 자기 헤드나 자기 랜덤 액세스 메모리에 필요해지는 RA값은 1 내지 10,000Ω㎛2이기 때문에, 전형적으로는 1 내지 2㎚의 사이이다.
본 발명에서 사용하는 MgO는, 1:1의 화학 이론 양비(量比)여도 되고, 비화학 이론 양비여도 된다.
본 발명에 따른 자화 고정층(4)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 제 1 자화 고정층(4a)과 제 2 자화 고정층(4b)의 사이에 교환 결합용 비자성층(5)을 삽입하고, 제 1 자화 고정층(4a)과 제 2 자화 고정층(4b)이 반강자성 결합하고 있는 적층 페리 고정층인 것이 바람직하다. 제 1 자화 고정층(4a)에는 CoFe가, 제 2 자화 고정층(4b)에는 CoFeB가 바람직하게 사용될 수 있고, 이들 자화 고정층(4a, 4b) 사이에 삽입되는 교환 결합용 비자성층(5)으로서는 Ru가 바람직하게 사용될 수 있다. 관련되는 Ru층의 막 두께는 RKKY(Ruderman Kittel Kasuya Yosida) 상호 작용에 의해 CoFe층과 CoFeB층의 사이에 반강자성 결합이 나타나는 막 두께로 할 필요가 있다. 실용적으로는 2nd 피크라고 불리는, 0.7 내지 0.9㎚가 바람직하다.
또한, 자화 고정층(4)이 적층 페리 고정층이 아닌 스핀 밸브형 터널 자기 저항 박막의 경우에는, 자화 고정층(4)에는 비정질의 CoFeB를 사용함으로써 동등한 효과를 얻을 수 있다. 그 막 두께는 1 내지 5㎚가 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서는, 반강자성층(3)이 없을 경우에는 자화 고정층(4)의 보자력(Hcp)과, 자화 자유층(7)의 보자력(Hcf)이, Hcp>Hcf의 관계를 충족하는 것이 바람직하다. 반강자성층(3)이 있고 또한 자화 고정층(4)이 적층 페리 고정층이 아닐 경우에는 자화 고정층(4)과 반강자성층(3) 사이의 교환 결합 자계(Hex)는 Hex>Hcf의 관계를 충족하는 것이 바람직하다. 반강자성층(3)이 있고 또한 자화 고정층(4)이 적층 페리 고정층일 경우에는 제 1 자화 고정층(4a)과 제 2 자화 고정층(4b) 사이의 반강자성 결합 자계(Hex*)가 Hex*>Hcf의 관계를 충족하는 것이 바람직하다.
그 이유는 터널 자기 저항 효과를 발현하기 위해서 외부 자계(H)를 인가함으로써 자화 자유층의 자화만을 반전시켜서, 자화 고정층과 자화 자유층의 자화가 서로 평행 또는 반(反)평행이 되는 상태를 실현할 필요가 있기 때문이다. 그러한 상태를 실현하는 외부 자계(H)의 크기는 Hcp>H>Hcf 또는 Hex>H>Hcf 또는 Hex*>H>Hcf를 충족해야만 한다. 그 때문에, Hcp 또는 Hex 또는 Hex*은 Hcf보다 크면, 클 수록 좋다.
본 발명에 따른 반강자성층(3)으로서는, PtMn이 바람직하게 사용될 수 있고, 강한 반강자성 결합을 나타내는 막 두께가 필요해지기 때문에 10 내지 30㎚가 바람직하다. PtMn의 외에, IrMn이나 IrMnCr, NiMn, PdPtMn, RuRhMn, OsMn 등도 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 자화 자유층이 서로 자성 재료가 다른 2층 이상의 적층막으로 이루어지고, 터널 배리어층에 인접하는 제 1 자화 자유층이 상기 CoNiFeB 합금으로 이루어지고, 그 제 1 자화 자유층 이외의 자화 자유층 중 적어도 1층이 Ni를 50원자% 이상 함유하는 면심 입방 구조의 NiFe 합금으로 이루어진다.
다음으로, 본 발명의 터널 자기 저항 박막의 제조 방법에 대해서 설명한다. 본 발명의 터널 자기 저항 박막은, 기판(1) 측에서부터 순서대로 원하는 막을 적층 하면 된다.
도 2는, 본 발명의 터널 자기 저항 박막의 제조에 사용할 수 있는 스퍼터링 장치의 구성을 모식적으로 나타내는 평면도이다. 관련되는 장치에 있어서는, 기판 반송용 로보트(기판 반송 장치)(28)가 2기 탑재된 진공 반송실(반송 챔버)(20)과, 진공 반송실(20)에 접속된 스퍼터링실(sputtering chamber)(성막 챔버)(21 내지 23)과, 기판 전처리실(25)과 산화 처리실(산화 처리 챔버)(26)과 로드록실(loadlock chamber)(27)로 구성된다. 로드록실(27)을 제외한 모든 챔버는 2×10-6Pa 이하의 진공실이며, 각 진공실 사이의 기판의 이동은 진공 반송 로보트(28)에 의해 진공 중에서 행하여진다. 21a 내지 21e, 22a 내지 22e 및 23a 내지 23e는 타겟이다.
스핀 밸브형 터널 자기 저항 박막을 형성하기 위한 기판은, 초기 대기압으로 된 로드록실(27)에 배치되고, 로드록실(27)을 진공 배기한 후, 진공 반송 로보트(28)에 의해 원하는 진공실에 반송된다.
일례로서, 후술하는 실시예에서 제작한, 자화 고정층으로서 적층 페리 고정층을 갖는 바텀형의 스핀 밸브형 터널 자기 저항 박막을 제조할 경우를 예로 들어서 설명한다.
각 층의 구성은, Ta 타겟(21a)을 사용한 스퍼터링실(21)에서의 스퍼터링 성막에 의해 Ta(10㎚) 완충층(2)이 성막되고, PtMn 타겟(21b)을 사용한 스퍼터링실(21)에서의 스퍼터링 성막에 의해 PtMn(15㎚) 반강자성층(3)이 적층되며, Co70Fe30 타겟(21c)을 사용한 스퍼터링실(21)에서의 스퍼터링 성막에 의해 자화 고정층(4)의 CoFe층(4a)이 적층되며, Ru 타겟(21d)을 사용한 스퍼터링실(21)에서의 스퍼터링 성막에 의해 자화 고정층(4)의 Ru층(5)이 적층되고, Co60Fe20B20 타겟(21e)을 사용한 스퍼터링실(21)에서의 스퍼터링 성막에 의해 자화 고정층(4)의 CoFe층(4b)이 적층되며, CoFe(2.5㎚)/Ru(0.85㎚)/CoFeB(3㎚)로 이루어지는 적층 페리 고정층인 자화 고정층(4)이 적층된다.
스퍼터링실(22)은, MgO 타겟(22a) 및 Mg 타겟(22b)을 사용한 스퍼터링실이다. 타겟(22c 내지 22e)은, 타겟을 미장착으로 하고 있다. 스퍼터링실(22)에 의한 성막에 의해 (001) 배향의 결정성 MgO(1.5㎚) 터널 배리어층(6)이 적층된다. 본 실시예에서는, Mg층과 MgO층의 적층 구조의 터널 배리어층(6)을 사용했다. 결정성 MgO는, 막 두께 방향에 있어서 모든 막 두께에 걸쳐 단결정 구조이며, 면 방향에 있어서 단결정 구조(디바이스 면적에 걸쳐 균일하게 단결정)여도 되고, 또한, 다결정 구조(디바이스 면적 내에서 다수의 결정립으로 구성된 결정 상태)여도 된 다. 또한, MgO층의 단층 터널 배리어층(6)을 사용하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 바람직한 형태에 있어서는, 금속 Mg층을 적층한 후, 이 Mg층까지 적층한 중간성(中間性) 매체를 산화 처리실(26)에 반송하고, 이 산화 처리실(26)에서 금속 Mg층을 산화함으로써 (001) 배향한 결정성 MgO 터널 배리어층(6)을 형성할 수 있다.
스퍼터링실(23)은, Ta 타겟(23a), Co70Fe30 타겟(23b), Ru 타겟(23c), Co56Fe24B20 타겟(23d) 및 Ni83Fe17 타겟(23e)이 사용되어 있다.
Ta 타겟(23a)은, 보호층(8)의 성막에 사용할 수 있다. Co56Fe24B20 타겟(23d) 및 Ni83Fe17 타겟(23e)을 사용한 2원 동시 스퍼터링에 의해, 체심 입방 구조로, (001) 배향의 CoFeNiB 합금으로 이루어지는 자화 자유층(7a)을 적층하고, 또한, Ni83Fe17 타겟(23e)을 사용한 스퍼터링에 의해 면심 입방 구조의 NiFe 합금으로 이루어지는 자화 자유층(7b)을 적층하고, 계속해서, Ru 타겟(23c)을 사용한 스퍼터링에 의해 Ru로 이루어지는 교환 결합용 비자성층(9)을 적층하고, 계속해서, Co70Fe30 타겟(23b)을 사용한 스퍼터링에 의해 CoFe 합금으로 이루어지는 자화 자유층(7c)을 적층한다.
이어서, Ta 타겟(23a) 및 Ru 타겟(23c)을 사용한 스퍼터링에 의해, 자화 자유층(7) 측의 Ta층(10㎚)과 Ru층(7㎚)의 적층 구조의 보호층(8)이 상기 자화 자유층(7) 위에 적층된다.
또한, () 내는 막 두께를 나타낸다.
PtMn층은 어닐링에 의해 규칙화하여 반강자성이 발현하도록, Pt 함유량이 47 내지 51(원자%)이 되도록 스퍼터링 타겟의 조성과 성막 조건(가스 종(種), 가스압, 투입 전력)을 조정한다.
상기와 같은 막 구성을 효율적으로 성막하기 위해서, 다음과 같이 스퍼터링 타겟을 각 스퍼터링실에 배치한다. 스퍼터링실(21)에는 Ta, PtMn, Co70Fe30, Ru, Co60Fe20B20을, 스퍼터링실(22)에는 MgO와 Mg를 스퍼터링 타겟(21a 내지 21e, 22a 내지 22b)으로서 배치한다. 또한, 스퍼터링실(23)에는 Ta, Co70Fe30, Ru, Co56Fe24B20, Ni83Fe17을 스퍼터링 타겟(23a 내지 23e)으로서 배치한다.
본 발명에 있어서 가장 복잡한 막 구성인 적층 페리 구조를 가진 스핀 밸브형 터널 자기 저항 박막은, 다음과 같이 해서 형성된다.
우선, 기판(1)을 기판 전처리실(25)에 반송하고, 역(逆)스퍼터 에칭에 의해, 대기 중에서 오염된 표면층의 약 2㎚를 물리적으로 제거한다. 그후, 스퍼터링실(21)에 반송하고, Ta/PtMn/CoFe/Ru/CoFeB까지 성막한다. 그후, 스퍼터링실(22)로 이동해서 터널 배리어층(6)으로서 MgO막, 또는 Mg/MgO의 2층막을 성막한다.
또한, MgO 터널 배리어층의 형성 방법으로서, 스퍼터링실(22)에서 금속 Mg막을 성막하고, 그후 산화 처리실(26)에 기판을 반송해서 래디컬 산화법이나 자연 산화법 등에 의해 Mg층을 산화 처리해서 NaCl 구조의 MgO막을 형성해도 된다. 터널 배리어층(6) 형성 후, 스퍼터링실(23)에 반송해서, CoFeB/NiFe/Ta/Ru를 성막하고, 로드록실(27)에 돌려 보낸다. 이때, B 농도가 상이한 CoFeB층을 제작하기 위해서, CoFeB와 CoFe의 타겟을 동시에 방전하는 2원 동시 스퍼터링법을 사용한다.
이후, 제작된 터널 자기 저항 박막은, 자장 중 어닐링 노(爐)에 넣어, 강한 8kＯe 이상의 1방향으로 평행한 자장을 인가하면서, 진공 중에서 원하는 온도와 시간으로 어닐링 처리를 행한다. 경험적으로는 250℃ 이상 360℃ 이하이며, 저온의 경우에는 5시간 이상의 장시간이, 고온의 경우에는 2시간 이하의 단시간이 바람직하다.
본 발명의 터널 자기 저항 박막은, 자기 디스크 구동 장치의 자기 재생 헤드, 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)의 기억 소자 및 자기 센서에 바람직하게 사용할 수 있다. 이하에 본 발명의 터널 자기 저항 박막을 사용한 MRAM을 예를 들어서 설명한다.
도 3은 MRAM의 구조를 모식적으로 나타내는 도면이며, 도 4는 그 1메모리 셀의 단면 모식도, 도 5는 1메모리 셀의 등가 회로도이다. MRAM에 있어서, 42는 재기입용 워드선, 43은 비트선, 44는 판독용 워드선, 45는 자기 저항 소자이다. 다수의 메모리 셀 각각은, 복수의 비트선(43)과 판독용 워드선(44)의 각 교점 위치에 배치되어, 격자 형상의 위치 관계로 배치되고, 각각이 1비트의 정보를 기억한다.
MRAM의 메모리 셀은, 도 4, 도 5에 나타낸 바와 같이, 비트선(43)과 판독용 워드선(44)의 교점 위치에 있어서, 1비트의 정보를 기억하는 자기 저항(TMR) 소자(45)와, 스위치 기능을 갖는 트랜지스터(46)로 구성된다. 본 발명의 터널 자기 저항 박막은 상기 TMR 소자(45)로서 사용될 수 있다.
TMR 소자(45)는, 도 1의 (a)에 나타내는 터널 배리어층(6)의 양 측의 강자성층(제 2 자화 고정층(4b) 및 자화 자유층(7))과의 사이에 소요 전압을 인가해서 일정 전류를 흐르게 한 상태에서, 외부 자장을 건다. 제 2 자화 고정층(4b)과 자화 자유층(7)의 자화의 방향이 평행하고 같을 때(평행 상태), TMR 소자(45)의 전기 저항은 최소가 되고, 제 2 자화 고정층(4b)과 자화 자유층(7)의 자화의 방향이 평행하고 반대일 때(반평행 상태), TMR 소자(45)의 전기 저항은 최대가 된다. 이렇게, 외부 자장에 의해 TMR 소자(45)에 평행 상태와 반평행 상태를 만들어 냄으로써, 저항값 변화로서 「1」 또는 「0」의 정보의 기억을 행할 수 있다.
도 3의 MRAM에 있어서는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 판독용 워드선(44)과 평행하게, 즉 비트선(43)과 교차해서 재기입용 워드선(42)이 TMR 소자(45)의 아래쪽에 배치되어 있다. 따라서, 비트선(43)과 재기입용 워드선(42)에 전류를 흐르게 함으로써 자계가 유기되고, 비트선(43)과 재기입용 워드선(42)의 교점에 접하는 메모리 셀의 TMR 소자(45)의 자화 자유층만이 양자로부터의 자계의 영향을 받아서 자화반전한다. 다른 메모리 셀의 TMR 소자(45)는 양자의 자계의 영향을 전혀 받지 않거나, 또는 비트선(43) 및 재기입용 워드선(42) 중 어느 한 쪽의 자계의 영향밖에 받지 않기 때문에, 자화 자유층이 자화반전하지 않는다. 이렇게 해서, 원하는 메모리 셀의 TMR 소자(45)의 자화 자유층만 자화반전시켜서 기입을 행한다. 판독시에는, TMR 소자(45)의 아래쪽에 위치하는 트랜지스터(46)의 게이트가 판독용 워드선(44)의 역할을 한다. 비트선(43)과 판독용 워드선(44)의 교점에 위치하는 메모리 셀의 TMR 소자(45)에만 전류가 흐르기 때문에, 그때의 전압을 검출함으로써, 관련되는 TMR 소자(45)의 저항값을 측정하여, 「1」 또는 「0」의 정보를 얻을 수 있다.
실시예
(실시예1)
도 2에 나타낸 장치를 사용하여, 도 1의 (a)에 나타낸 막 구성의 바텀형의 스핀 밸브형 터널 자기 저항 박막을 제작했다. 본 예에서는, 완충층(2)이 Ta(10㎚), 반강자성층(3)이 PtMn(15㎚), 자화 고정층(4)이 CoFe(2.5㎚)/Ru(0.85㎚)/CoFeB(3㎚)로 이루어지는 적층 페리 고정층, 터널 배리어층(6)이 MgO(15㎚)이다. 또한, 자화 자유층(7)으로서는, 성막된 채의 상태에서 체심 입방 구조로 되는 CoNiFeB를 처음에 성막하고, 다음에 면심 입방 구조의 NiFe를 성막했다. 보호층(8)으로서는, Ta(10㎚)/Ru(7㎚)의 적층 구조를 사용했다.
또한, 제 1 자화 자유층(7a)에는 (Co70Fe30)96B4를 사용하고, 제 2 자화 자유층(7b)에는, Ni를 83원자% 포함한 면심 입방 구조의 Ni83Fe17을 사용했다. 또한, 제 1 자화 자유층(7a)으로서, (Co70Fe30)80B20, Co70Fe30을 각각 사용한 자기 저항 박막을 제작했다.
도 6은 본 예에서 제작한 자기 저항 박막의 MR비의 어닐링 온도 의존성을 나타내는 도면이다. 제 2 자화 자유층(7b)은 어느 쪽의 경우도 부의 자왜를 가진 Ni83Fe17을 사용하고 있어, 자화 자유층(7) 전체의 자왜를 낮추도록 연구하고 있다.
도 6은, 본 예에 대해서, 각 테스트 시료를 어닐링했을 때의 MR비를 측정하 고, 이것에 의해, 각 시료마다의 MR비에 관한 어닐링 의존성을 나타낸 것이다.
「▽」은, 제 1 자화 자유층으로서 CoFeB 합금을 사용하고, 제 2 자화 자유층을 블랭크(blank)로 한 비교 시료이다.
「◇」은, 제 1 자화 자유층으로서 CoFeNiB 합금을 사용하고, 제 2 자화 자유층을 블랭크로 한 비교 시료이다.
「□」은, 제 1 자화 자유층으로서 Co70Fe30을 사용하고, 제 2 자화 자유층으로서 Ni83Fe17을 사용한 비교 시료이다.
「△」은, 제 1 자화 자유층으로서 (Co70Fe30)80B20을 사용하고, 제 2 자화 자유층으로서 Ni83Fe17을 사용한 본 발명의 시료이다.
「○」은, 제 1 자화 자유층으로서 (Co70Fe30)96B4를 사용하고, 제 2 자화 자유층으로서 Ni83Fe17을 사용한 본 발명의 시료이다.
도 6으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 예는, 비교예와 비교하여, 높은 MR비를 나타내고 있는 동시에, MR비가 온도에 의존하지 않는 열안정성이 현저한 효과를 나타내고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 본 예에서의 Hex*은 1,000Ｏe, Hcf는 5Ｏe이며, Hex*>Hcf의 관계를 충족하고 있었다.
또한, 본 예에 있어서, MR비, Hex*, Hcf의 측정 방법은 아래와 같다.
MR비 : 12단자 프로브의 Current-In-Plane Tunneling(CIPT)법을 사용했다. CIPT법의 측정 원리는 D.C.Worledge,P.L.Trouilloud, 「어플라이드·피직스·레터(Applied Physics Letters)」,83(2003),84-86에 기재되어 있다.
Hex*, Hcf : 진동 시료형 자력계(VSM)를 사용하고, 얻을 수 있었던 자화 곡선으로부터 구했다. VSM의 측정 원리는 예를 들면, 「실험 물리학 강좌 6 자기 측정 I」, 콘 케이이치로(近桂一郞), 야스오카 히로시(安岡弘志) 편저, 마루젠 도쿄(丸善東京), 2000년 2월 15일 발행에 나타나 있다.
(실시예2)
도 1의 (b)에 나타낸 막 구성의 바텀형의 스핀 밸브형 터널 자기 저항 박막을 제작했다. 본 예에서는, 자화 자유층(7)으로서, 실시예1의 본 발명의 시료와 같은 CoNiFeB/NiFe막의 자화 자유층 위에 교환 결합용 비자성층(9)으로서 Ru막(2㎚)을, 이어서 자화 자유층(7c)으로서 NiFe막(3㎚)을 적층한 것 외에는 실시예1과 동일했다.
얻을 수 있었던 자기 저항 박막은, 실시예1과 마찬가지로 높은 MR비와 낮은 자왜에 더해서 내열성도 향상해 있었다.
(실시예3)
자화 고정층(4)을 비정질 CoFeB(3㎚)로 한 것 외에는 실시예1과 동일하게 해서 본 발명의 시료를 사용한 바텀형의 스핀 밸브형 터널 자기 저항 박막을 제작했다.
얻을 수 있었던 자기 저항 박막은, 실시예1과 마찬가지로 높은 MR비와 낮은 자왜에 더해서 내열성도 향상해 있었다.
Claims (12)
- 자화 고정층, 터널 배리어층, 자화 자유층을 갖는 터널 자기 저항 박막으로서,상기 터널 배리어층은, (001) 배향한 산화 마그네슘 결정립(結晶粒)을 갖는 산화 마그네슘막이고,상기 자화 자유층은, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 체심 입방 구조 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 체심 입방 구조의 (001) 배향한 합금으로 이루어진 제 1 자화 자유층과, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 면심 입방 구조의 합금으로 이루어진 제 2 자화 자유층의 적층 구조인 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 박막.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 자화 자유층은, (Co100-x-yNixFey)100-zBz(x, y, z는 원자%(atomic%))로 나타내지는 조성이 x+y<100, 0≤x≤30, 10≤y<100, 0<z≤6인 터널 자기 저항 박막.
- 제 1 항에 있어서,상기 자화 고정층의 보자력(Hcp)과, 상기 자화 자유층의 보자력(Hcf)은, Hcp>Hcf의 관계를 충족하고 있는 터널 자기 저항 박막.
- 제 1 항에 있어서,상기 자화 고정층에 인접해서 반(反)강자성층을 더 갖고, 상기 자화 고정층의 자화는, 상기 반강자성층과의 교환 결합에 의해 1축 방향으로 고정되며, 또한 자화 고정층과 반강자성층 사이의 교환 결합 자계(Hex)와, 자화 자유층의 보자력(Hcf)은, Hex<Hcf의 관계를 충족하고 있는 터널 자기 저항 박막.
- 제 1 항에 있어서,상기 자화 고정층은, 제 1 자화 고정층 및 제 2 자화 고정층을 갖고, 상기 제 1 자화 고정층과 제 2 자화 고정층의 사이에 교환 결합용 비자성층을 더 갖고, 상기 자화 고정층의 자화는, 반강자성층과의 교환 결합에 의해 1축 방향으로 고정되며, 상기 제 1 자화 고정층과 제 2 자화 고정층은, 반강자성 결합하고 있는 적층 페리 고정층이고, 제 1 자화 고정층과 제 2 자화 고정층 사이의 반강자성 결합 자계(Hex*)와 자화 자유층의 보자력(Hcf)이, Hex*>Hcf의 관계를 충족하고 있는 터널 자기 저항 박막.
- 자화 자유층, 터널 배리어층 및 자화 고정층을 갖는 터널 자기 저항 박막으로서,상기 터널 배리어층은, (001) 배향한 산화 마그네슘 결정립을 갖는 산화 마그네슘막이고,상기 자화 자유층은, 체심 입방 구조를 갖고, (001) 배향하며, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금층 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 박막.
- 제 6 항에 있어서,상기 자화 자유층은, (Co100-x-yNixFey)100-zBz(x, y, z는 원자%)로 나타내지는 조성이 x+y<100, 0≤x≤30, 10≤y<100, 0<z≤6인 터널 자기 저항 박막.
- 자화 고정층, 터널 배리어층, 자화 자유층이 이 순서대로 적층된 적층체를 갖는 터널 자기 저항 박막으로서,상기 터널 배리어층은, (001) 배향한 산화 마그네슘 결정립을 갖는 산화 마그네슘막이고,상기 자화 자유층은, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 체심 입방 구조 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 체심 입방 구조의 (001) 배향한 합금으로 이루어진 제 1 자화 자유층과, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 면심 입방 구조의 합금으로 이루어진 제 2 자화 자유층의 적층 구조인 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 박막.
- 기판 반송 장치를 구비한 반송 챔버,상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, 산화 마그네슘 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, (001) 배향한 산화 마그네슘 결정립을 갖는 산화 마그네슘층을 성막하도록 한 제 1 성막 챔버,상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 자성체 타겟 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 자성체 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금이며, 체심 입방 구조의 (001) 배향한 결정성 제 1 자화 자유층을 성막하고, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 자성체 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 합금이며 면심 입방 구조의 FeNi 합금으로 이루어진 제 2 자화 자유층을 성막하도록 한 제 2 성막 챔버,및,기판 위에, 상기 산화 마그네슘층에 인접해서 상기 제 1 자화 자유층을 적층 하고, 상기 제 1 자화 자유층에 인접해서 상기 제 2 자화 자유층을 적층하도록 한 진공 반송 기구,를 갖는 것을 특징으로 하는 자성 다층막 제작 장치.
- 기판 반송 장치를 구비한 반송 챔버,상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, 산화 마그네슘 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, (001) 배향한 산화 마그네슘 결정립을 갖는 산화 마그네슘층을 성막하도록 한 제 1 성막 챔버,상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자 중 적어도 2종 성분을 함유한 제 1 자성체 타겟, 및 상기 4종 성분 중 상기 제 1 자성체 타겟으로 사용하지 않는 성분을 적어도 함유하는 제 2 자성체 타겟을 사용한 2원(元) 동시 스퍼터링법에 의해, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금이며, 체심 입방 구조의 (001) 배향한 결정성 제 1 자화 자유층을 성막하고, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 자성체 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 합금이며 면심 입방 구조의 FeNi 합금으로 이루어진 제 2 자화 자유층을 성막하도록 한 제 2 성막 챔버,및,기판 위에, 상기 산화 마그네슘층에 인접해서 상기 제 1 자화 자유층을 적층 하고, 상기 제 1 자화 자유층에 인접해서 상기 제 2 자화 자유층을 적층하도록 한 진공 반송 기구,를 갖는 것을 특징으로 하는 자성 다층막 제작 장치.
- 기판 반송 장치를 구비한 반송 챔버,상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, 마그네슘 타겟을 사 용한 스퍼터링법에 의해, 금속의 마그네슘층을 성막하도록 한 제 1 성막 챔버,상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, 상기 마그네슘층을 (001) 배향한 산화 마그네슘 결정립을 갖는 산화 마그네슘층으로 형성하는 산화 처리 챔버,상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자 중 적어도 2종 성분을 함유한 제 1 자성체 타겟, 및 상기 4종 성분 중 상기 제 1 자성체 타겟으로 사용하지 않는 성분을 적어도 함유하는 제 2 자성체 타겟을 사용한 2원 동시 스퍼터링법에 의해, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금이며, 체심 입방 구조의 (001) 배향한 결정성 제 1 자화 자유층을 성막하고, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 자성체 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 합금이며 면심 입방 구조의 FeNi 합금으로 이루어진 제 2 자화 자유층을 성막하도록 한 제 2 성막 챔버,및,기판 위에, 상기 산화 마그네슘층에 인접해서 상기 제 1 자화 자유층을 적층 하고, 상기 제 1 자화 자유층에 인접해서 상기 제 2 자화 자유층을 적층하도록 한 진공 반송 기구,를 갖는 것을 특징으로 하는 자성 다층막 제작 장치.
- 기판 반송 장치를 구비한 반송 챔버,상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, 마그네슘 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, 금속의 마그네슘층을 성막하도록 한 제 1 성막 챔버,상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, 상기 마그네슘층을 (001) 배향한 산화 마그네슘 결정립을 갖는 산화 마그네슘층으로 형성하는 산화 처리 챔버,상기 반송 챔버와 게이트 밸브를 통해서 접속 배치되고, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 자성체 타겟 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 자성체 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, Co 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금 또는 Co 원자, Ni 원자, Fe 원자 및 B 원자를 함유한 합금이며, 체심 입방 구조의 (001) 배향한 결정성 제 1 자화 자유층을 성막하고, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 자성체 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해, Fe 원자 및 Ni 원자를 함유한 합금이며 면심 입방 구조의 FeNi 합금으로 이루어진 제 2 자화 자유층을 성막하도록 한 제 2 성막 챔버,및,기판 위에, 상기 산화 마그네슘층에 인접해서 상기 제 1 자화 자유층을 적층 하고, 상기 제 1 자화 자유층에 인접해서 상기 제 2 자화 자유층을 적층하도록 한 진공 반송 기구,를 갖는 것을 특징으로 하는 자성 다층막 제작 장치.
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